JP4468136B2 - Ultrasonic transceiver - Google Patents
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Description
本発明は、超音波を送受信して生体内の臓器等を観察するために用いられる超音波送受信装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transmission / reception apparatus used for observing an organ or the like in a living body by transmitting / receiving ultrasonic waves.
従来、超音波を送受信して３次元画像を取得するためには、位置センサ付きの１次元トランスデューサアレイを用いて、送受信する超音波を電気的にステアリングさせて深度方向の断面に関する２次元画像を取得し、さらに、この１次元トランスデューサアレイを機械的に移動させて取得した複数の２次元画像を合成して３次元画像を作成していた。しかしながら、この手法によれば、１次元トランスデューサアレイの機械的な移動においてタイムラグがあるため、異なる時刻における複数の２次元画像を合成することになるので、合成された画像がぼけたものとなってしまう。従って、この手法は、生体のような、動きを伴う被写体のイメージングには適していない。 Conventionally, in order to acquire a three-dimensional image by transmitting and receiving ultrasonic waves, a two-dimensional image related to a cross section in the depth direction is obtained by electrically steering the ultrasonic waves to be transmitted and received using a one-dimensional transducer array with a position sensor. Further, a three-dimensional image is created by synthesizing a plurality of two-dimensional images acquired by mechanically moving the one-dimensional transducer array. However, according to this method, since there is a time lag in the mechanical movement of the one-dimensional transducer array, a plurality of two-dimensional images at different times are synthesized, so that the synthesized image is blurred. End up. Therefore, this method is not suitable for imaging a subject with movement, such as a living body.
このような欠点を解消するためには、２次元トランスデューサアレイを用いて３次元画像を取得する方が有利である。下記の非特許文献１には、２次元トランスデューサアレイを用いて、１つの領域に超音波ビームを送信し、その領域内の１６の方向から反射される超音波エコーを同時に受信して処理するマルチビーム受信が開示されている。また、下記の特許文献１には、複数の領域に超音波ビームを同時に送信するマルチビーム送信が開示されている。
In order to eliminate such drawbacks, it is more advantageous to acquire a three-dimensional image using a two-dimensional transducer array. Non-Patent
さらに、下記の特許文献２には、１回の送信について周波数帯域の異なる複数の送信信号を発生することにより、周波数帯域及び焦域並びに方向が異なる複数の超音波送信ビームを同時に生成可能な超音波診断装置が開示されている。しかしながら、複数の周波数信号を合成することにより送信信号の最大振幅が増加するので、超音波トランスデューサの耐圧を大きくしたり、送信信号発生回路の最大出力電圧を大きくする必要があり、消費電力も増加してしまう。
Further, in
一方、下記の特許文献３には、特別のドライバ等を必要とせずに、複数の送信ビームを同時に形成する超音波診断装置が開示されている。この超音波診断装置は、１回の送信で複数の送信ビームを形成するために、複数の振動素子を複数の送信グループに分け、送信グループ毎に異なる送信周波数の送信信号を供給する複数の送信回路を含んでいる。
On the other hand,
同様に、下記の特許文献４には、円形の振動面が別々に複数配置できるにもかかわらず、占有面積が大きくならない超音波送受波器を具備する超音波水中探知機が開示されている。この超音波水中探知機においては、複数の超音波振動子を、その振動面が全て水平面に沿って第１の円内に位置するように並べて送受波器を構成している。これらの超音波振動子を、第１の円に内接し第１の円より小さい同一直径の第２〜第５の円で第１〜第６の超音波振動子群にグループ化し、これら超音波振動子群を適宜選択的に駆動することにより、超音波振動子の振動面の占有面積を小さくしつつ、所望のビームを形成することができる。
Similarly,
しかしながら、特許文献３及び特許文献４に開示されているように、複数の振動子を複数のグループに分けてマルチビーム送信を行うと、各送信ビームの強度が低下してしまうという問題がある。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、マルチビーム送信を行う超音波送受信装置において、送信ビームの数の増加に伴う超音波トランスデューサの耐圧の増加や消費電力の増加を抑えることを目的とする。 Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to suppress an increase in the pressure resistance of an ultrasonic transducer and an increase in power consumption accompanying an increase in the number of transmission beams in an ultrasonic transmission / reception apparatus that performs multi-beam transmission. .
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波送受信装置は、複数の駆動信号に従って超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信して複数の検出信号をそれぞれ出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波用探触子と、超音波用探触子から複数の異なる方向に同時に複数の超音波ビームを送信させるために、各々の超音波トランスデューサについて複数の駆動波形を合成することによって得られる合成駆動波形に関する情報を生成する駆動波形合成手段と、駆動波形合成手段によって生成された情報に従って複数の駆動信号を生成して複数の超音波トランスデューサにそれぞれ供給する複数の送信回路であって、それぞれの超音波トランスデューサに供給される駆動信号の最大電圧に対応して複数種類の最大出力電圧が定められた複数の送信回路と、超音波エコーを受信した複数の超音波トランスデューサから出力される複数の検出信号をそれぞれ処理する複数の受信回路とを具備する。 In order to solve the above problems, an ultrasonic transmission / reception apparatus according to the present invention forms an ultrasonic beam according to a plurality of drive signals and transmits the ultrasonic beam to a subject, and receives a plurality of ultrasonic echoes reflected from the subject. An ultrasonic probe including a plurality of ultrasonic transducers that respectively output detection signals, and a plurality of ultrasonic beams transmitted simultaneously from the ultrasonic probe in a plurality of different directions. Drive waveform synthesizing means for generating information related to a synthesized drive waveform obtained by synthesizing a plurality of drive waveforms for the transducer, and a plurality of ultrasonic transducers by generating a plurality of drive signals according to the information generated by the drive waveform synthesizing means A plurality of transmission circuits each supplying a maximum voltage of a drive signal supplied to each ultrasonic transducer Correspondingly, a plurality of transmission circuits in which a plurality of types of maximum output voltages are determined, and a plurality of reception circuits that respectively process a plurality of detection signals output from a plurality of ultrasonic transducers that have received ultrasonic echoes. .
本発明によるマルチビーム送信を行う超音波送受信装置によれば、それぞれの超音波トランスデューサに供給される駆動信号の最大電圧に対応して、複数の送信回路について複数種類の最大出力電圧を定めることにより、送信ビームの数の増加に伴う超音波トランスデューサの耐圧の増加や消費電力の増加を抑えることができる。なお、本願においては、トランスデューサアレイを構成する１エレメント分のトランスデューサを、「超音波トランスデューサ」という。 According to the ultrasonic transmission / reception apparatus that performs multi-beam transmission according to the present invention, a plurality of types of maximum output voltages are determined for a plurality of transmission circuits corresponding to the maximum voltage of the drive signal supplied to each ultrasonic transducer. The increase in the pressure resistance of the ultrasonic transducer and the increase in power consumption accompanying the increase in the number of transmission beams can be suppressed. In the present application, the transducer for one element constituting the transducer array is referred to as “ultrasonic transducer”.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この超音波送受信装置は、被検体に当接させて用いられる超音波用探触子（プローブ）１と、超音波用探触子１に接続された超音波送受信装置本体２とによって構成される。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic transmission / reception apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this ultrasonic transmission / reception apparatus includes an ultrasonic probe (probe) 1 used in contact with a subject and an ultrasonic transmission / reception apparatus connected to the
超音波用探触子１は、２次元マトリックス状に配列されたＮ２個の超音波トランスデューサ１１を含むトランスデューサアレイ（「アレイトランスデューサ」ともいう）を内蔵している。これらの超音波トランスデューサ１１は、信号線を介して、超音波送受信装置本体２に接続される。
The
各々の超音波トランスデューサ１１は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電素子）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。また、近年において、超音波トランスデューサの感度及び帯域向上に寄与するとして期待が寄せられているＰＺＮＴ（鉛、亜鉛、ニオブ、チタンを含む酸化物）単結晶を含む圧電素子を用いても良い。
Each
このような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の検出信号として出力される。 When a voltage is applied to the electrodes of such a vibrator by sending a pulsed or continuous wave electrical signal, the piezoelectric element expands and contracts. By this expansion and contraction, pulsed or continuous wave ultrasonic waves are generated from the respective vibrators, and an ultrasonic beam is formed by synthesizing these ultrasonic waves. Each vibrator expands and contracts by receiving propagating ultrasonic waves and generates an electrical signal. These electric signals are output as ultrasonic detection signals.
超音波送受信装置本体２は、複数の切換回路２０と、複数の送信回路２１と、複数の受信回路２２と、コンピュータ３０と、記録部４０と、表示部５０とを含んでいる。
複数の切換回路２０は、超音波の送信時において、超音波用探触子１に内蔵されている複数の超音波トランスデューサ１１を複数の送信回路２１にそれぞれ接続し、超音波の受信時において、超音波用探触子１に内蔵されている複数の超音波トランスデューサ１１を複数の受信回路２２にそれぞれ接続する。
The ultrasonic transmission / reception apparatus
The plurality of switching
複数の送信回路２１の各々は、信号発生器と、Ａ級パワーアンプとを含んでいる。信号発生器は、コンピュータ３０から供給される駆動波形に関する情報に従って、それぞれの超音波トランスデューサ１１の配置等に対応する遅延量を有する駆動信号を生成する。パワーアンプは、この駆動信号を増幅して、超音波用探触子１に供給する。
Each of the plurality of
複数の受信回路２２の各々は、プリアンプと、ＴＧＣ（time gain compensation：タイム・ゲイン・コンペンセーション）増幅器と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器とを含んでいる。各々の超音波トランスデューサ１１から出力される検出信号は、プリアンプによって増幅され、ＴＧＣ増幅器によって、被検体内において超音波が到達した距離による減衰の補正が施される。
Each of the plurality of receiving
ＴＧＣ増幅器から出力される検出信号は、Ａ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換される。なお、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数としては、少なくとも超音波の周波数の１０倍程度の周波数が必要であり、超音波の周波数の１６倍以上の周波数が望ましい。また、Ａ／Ｄ変換器の分解能としては、１０ビット以上が望ましい。 The detection signal output from the TGC amplifier is converted into a digital signal by an A / D converter. The sampling frequency of the A / D converter needs to be at least about 10 times the frequency of the ultrasonic wave, and is preferably 16 times or more the frequency of the ultrasonic wave. The resolution of the A / D converter is preferably 10 bits or more.
コンピュータ３０は、記録部４０に記録されているソフトウェア（制御プログラム）に基づいて超音波の送受信を制御する。記録部４０としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ等の記録媒体を用いることができる。コンピュータ３０とソフトウェアとによって、走査制御部３１と、駆動波形合成部３２と、位相整合演算部３４と、表示画像演算部３５とが、機能ブロックとして実現される。また、コンピュータ３０は、受信メモリ３３を有している。
The
走査制御部３１は、超音波ビームの送信方向及び超音波エコーの受信方向を順次設定する。例えば、走査制御部３１は、超音波用探触子１から送信される複数の超音波ビームの方向を、予め定められた走査方法に従って一定のオフセット量で、又は予め定められたビーム走査順序に従って変化させるように、駆動波形合成部３２を制御する。駆動波形合成部３２は、走査制御部３１の制御の下で、各々の超音波トランスデューサ１１について複数の駆動波形を合成した合成駆動波形に関する情報を生成する。この情報に基づいて、送信回路２１が複数の駆動信号を生成することにより、送信フォーカス処理が行われて、超音波用探触子１から複数の異なる方向に向けて複数の超音波ビームが同時に送信される。
The
受信メモリ３３は、複数の受信回路２２のＡ／Ｄ変換器から出力されるディジタルの検出信号を、超音波トランスデューサごとに時系列に記憶する。位相整合演算部３４は、走査制御部３１において設定された受信方向に基づいて、記録部４０に記録されている複数の受信遅延パターンの中から所定のパターンを選択し、そのパターンに基づいて複数の検出信号に遅延を与えて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線データが形成される。なお、受信フォーカス処理は、Ａ／Ｄ変換の前、又は、ＴＧＣ増幅器による補正の前に行うようにしても良い。
The
表示画像演算部３５は、位相整合演算部３４によって形成された音線データに基づいて、画像データを生成する。表示部５０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、表示画像演算部３５によって生成された画像データに基づいて、超音波画像を表示する。
The display
次に、本発明の特徴であるマルチビーム送信における駆動電圧の低減について説明する。本発明の考え方の前提として、図２に示すような送受信用の２次元トランスデューサアレイを例として説明する。この例においては、超音波トランスデューサ（素子）の数を４２素子×４２素子としており、トランスデューサアレイの四隅を除く略円形の部分が、超音波の送受信に使用される。素子ピッチｄは０．３５ｍｍであり、超音波の周波数ｆＣを２．５ＭＨｚ（波長λ＝０．６ｍｍ）とすると、素子ピッチは約０．５８λに相当する。従って、超音波用探触子１の開口は、０．３５ｍｍ×４２素子＝１４．７ｍｍ以上の直径を有する円形となる。
Next, reduction of drive voltage in multi-beam transmission, which is a feature of the present invention, will be described. As a premise of the concept of the present invention, a two-dimensional transducer array for transmission and reception as shown in FIG. 2 will be described as an example. In this example, the number of ultrasonic transducers (elements) is 42 elements × 42 elements, and substantially circular portions excluding the four corners of the transducer array are used for transmitting and receiving ultrasonic waves. The element pitch d is 0.35 mm, and when the ultrasonic frequency f C is 2.5 MHz (wavelength λ = 0.6 mm), the element pitch corresponds to about 0.58λ. Therefore, the opening of the
図３は、２次元トランスデューサアレイから走査範囲内のある点に超音波ビームが送信される様子を表す模式図である。Ａ点及びＢ点は、それぞれ超音波ビームによりセクター走査される空間領域の焦点位置となる。ここで、方位角θと仰角φを用いて、空間領域における焦点の方向を（θ，φ）で表すと、Ａ点及びＢ点の方向は、それぞれ（０°，０°）及び（３０°，３０°）で表される。この例においては、超音波の走査範囲を、−３０°≦θ≦３０°、−３０°≦φ≦３０°とする。また、同時に１６本の超音波ビームを送信するものとし、これらの超音波ビーム間の角度差Δθ及びΔφを、それぞれ１５°とする。これらの超音波ビームは、走査ステップδθ＝δφ＝１°で順次ステアリングされる。図４に、最初の送信方向に向けられた１６本の超音波ビームと、ある走査ステップだけ下方にステアリングされた１６本の超音波ビームとを、模式的に示す。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which an ultrasonic beam is transmitted from a two-dimensional transducer array to a certain point within a scanning range. Point A and point B are the focal positions of the spatial region that is sector-scanned by the ultrasonic beam. Here, using the azimuth angle θ and the elevation angle φ, the direction of the focal point in the spatial region is represented by (θ, φ), and the directions of the points A and B are (0 °, 0 °) and (30 °, respectively). , 30 °). In this example, the ultrasonic scanning range is set to −30 ° ≦ θ ≦ 30 ° and −30 ° ≦ φ ≦ 30 °. Also, 16 ultrasonic beams are transmitted simultaneously, and the angle differences Δθ and Δφ between these ultrasonic beams are each 15 °. These ultrasonic beams are sequentially steered at a scanning step δθ = δφ = 1 °. FIG. 4 schematically shows 16 ultrasonic beams directed in the initial transmission direction and 16 ultrasonic beams steered downward by a scanning step.
図５は、複数の超音波トランスデューサに印加される駆動波形と、それによって発生する超音波ビームとの関係を示す図である。図５の（ａ）は、位相の異なる複数の駆動信号をそれぞれの超音波トランスデューサに印加することにより、方位角θ＝−１５°に向けて超音波ビームが送信されることを示している。図５の（ｂ）は、位相の揃った複数の駆動信号をそれぞれの超音波トランスデューサに印加することにより、方位角θ＝０°に向けて超音波ビームが送信されることを示している。図５の（ｃ）は、図５の（ａ）及び（ｂ）に示す駆動信号を合成することにより、方位角θ＝−１５°に向けた超音波ビームと方位角θ＝０°に向けた超音波ビームとが同時に送信されることを示している。 FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a driving waveform applied to a plurality of ultrasonic transducers and an ultrasonic beam generated thereby. FIG. 5A shows that an ultrasonic beam is transmitted toward an azimuth angle θ = −15 ° by applying a plurality of drive signals having different phases to the respective ultrasonic transducers. FIG. 5B shows that an ultrasonic beam is transmitted toward an azimuth angle θ = 0 ° by applying a plurality of drive signals having the same phase to the respective ultrasonic transducers. FIG. 5C shows an ultrasonic beam directed to an azimuth angle θ = −15 ° and an azimuth angle θ = 0 ° by synthesizing the drive signals shown in FIGS. 5A and 5B. The ultrasonic beam is transmitted at the same time.
図５の（ｃ）に示すように、２種類の駆動波形を合成することにより、２本の超音波ビームを同時に送信することができる。しかしながら、駆動波形のピークが重なる部分においては、ピークの高さが倍増されてしまう。一般に、Ｍ本の超音波ビームを同時に送信するためには、駆動波形のピークの高さがＭ倍になる可能性があるので、超音波トランスデューサの耐圧を高くしたり、送信回路の最大出力電圧を大きくしたりする必要がある。特に、送信回路においてＡ級パワーアンプを使用する場合には、駆動信号を出力しないときにも電力を消費するので、最大出力電圧に比例して消費電力が大きくなってしまうという問題があった。そこで、本発明に係る超音波送受信装置は、Ｍ本の超音波ビームを同時に送信する場合においても、駆動波形のピークの高さをＭ倍よりも極力小さくすることを特徴としている。 As shown in FIG. 5C, two ultrasonic beams can be transmitted simultaneously by synthesizing two types of drive waveforms. However, the height of the peak is doubled where the peaks of the drive waveforms overlap. Generally, in order to transmit M ultrasonic beams at the same time, the peak height of the drive waveform may be M times, so that the pressure resistance of the ultrasonic transducer can be increased or the maximum output voltage of the transmission circuit can be increased. It is necessary to enlarge. In particular, when a class A power amplifier is used in the transmission circuit, power is consumed even when a drive signal is not output, so that power consumption increases in proportion to the maximum output voltage. Therefore, the ultrasonic transmission / reception apparatus according to the present invention is characterized in that, even when M ultrasonic beams are transmitted simultaneously, the peak height of the drive waveform is made smaller than M times as much as possible.
次に、本発明の裏付けとなるシミュレーションについて説明する。このシミュレーションにおいては、各超音波トランスデューサから焦点までの距離に基づいて駆動信号に与える遅延量を求め、１６本の超音波ビームを１６個の焦点に向けて同時に送信するために、１６種類の駆動信号を重ね合わせたときの最大振幅（片側振幅（ゼロ・ツー・ピーク振幅）の最大値）を計算している。ここでは、駆動信号として、波連長が２であるバースト信号を想定し、駆動信号に与える遅延量の精度を１０ｎ秒としている。 Next, a simulation that supports the present invention will be described. In this simulation, in order to obtain the delay amount to be given to the drive signal based on the distance from each ultrasonic transducer to the focal point, and to transmit 16 ultrasonic beams simultaneously toward the 16 focal points, 16 types of driving are performed. The maximum amplitude (maximum value of one-side amplitude (zero-to-peak amplitude)) when signals are superimposed is calculated. Here, a burst signal having a wave run length of 2 is assumed as the drive signal, and the accuracy of the delay amount given to the drive signal is 10 nsec.
ｘ−ｙ平面を送信面とする２次元トランスデューサアレイを考え、このトランスデューサアレイの送信面の中心を原点とし、原点から焦点までの距離をｒとする。このトランスデューサアレイの位置（ｘ，ｙ，０）における超音波トランスデューサから、位置（ｘＦＯＣＵＳ，ｙＦＯＣＵＳ，ｚＦＯＣＵＳ）における焦点に向けて超音波ビームを送信するために、駆動信号に与えるべき遅延量τは次式で表される。ただし、被検体内における音速をｃとする。
また、焦点の位置を、方位角θと仰角φを用いて表すと、次のようになる。
ｘＦＯＣＵＳ＝ｒ・ｃｏｓφｓｉｎθ
ｙＦＯＣＵＳ＝ｒ・ｓｉｎφ
ｚＦＯＣＵＳ＝ｒ・ｃｏｓφｃｏｓθ
The focal point position is expressed as follows using the azimuth angle θ and the elevation angle φ.
x FOCUS = r · cosφsinθ
y FOCUS = r · sinφ
z FOCUS = r · cosφcosθ
図６の（ａ）は、１６本の超音波ビームの内で基準となる超音波ビームを方向（０°，０°）に送信する場合を示しており、斜線の領域は、基準となる超音波ビームによって走査される走査領域を示している。図６の（ｂ）〜（ｄ）は、その際に、例として３つの超音波トランスデューサに印加される駆動信号の波形を示している。また、図７の（ａ）は、１６本の超音波ビームの内で基準となる超音波ビームを方向（０°，１４°）に送信する場合を示しており、図７の（ｂ）〜（ｄ）は、その際に、例として３つの超音波トランスデューサに印加される駆動信号の波形を示している。 FIG. 6A shows a case in which the reference ultrasonic beam among the 16 ultrasonic beams is transmitted in the direction (0 °, 0 °). A scanning area scanned by a sound beam is shown. 6B to 6D show the waveforms of drive signals applied to three ultrasonic transducers as an example. FIG. 7A shows a case in which a reference ultrasonic beam among the 16 ultrasonic beams is transmitted in the direction (0 °, 14 °), and FIG. (D) shows the waveforms of the drive signals applied to the three ultrasonic transducers as an example at that time.
図８の（ａ）は、１６本の超音波ビームの内で基準となる超音波ビームを方向（１４°，０°）に送信する場合を示しており、図８の（ｂ）〜（ｄ）は、その際に、例として３つの超音波トランスデューサに印加される駆動信号の波形を示している。また、図９の（ａ）は、１６本の超音波ビームの内で基準となる超音波ビームを方向（７°，７°）に送信する場合を示しており、図９の（ｂ）〜（ｄ）は、その際に、例として３つの超音波トランスデューサに印加される駆動信号の波形を示している。 FIG. 8A shows a case where a reference ultrasonic beam is transmitted in the direction (14 °, 0 °) among the 16 ultrasonic beams, and FIGS. ) Shows the waveforms of the drive signals applied to the three ultrasonic transducers as an example. FIG. 9A shows a case in which the reference ultrasonic beam among the 16 ultrasonic beams is transmitted in the direction (7 °, 7 °), and FIG. (D) shows the waveforms of the drive signals applied to the three ultrasonic transducers as an example at that time.
図１０は、１６本の超音波ビームを送信するために各超音波トランスデューサに印加される駆動信号の最大振幅を示すヒストグラムである。図１０のヒストグラムにおいては、横軸に最大振幅をとり、縦軸に出現頻度をとっている。ここで、最大振幅は、１本の超音波ビームを送信するための最大振幅に対する相対値で表している。また、横軸の各々の最大振幅の値における４本の棒は、図６〜図９に示すそれぞれの場合に対応している。これを表にしたのが、図１１である。 FIG. 10 is a histogram showing the maximum amplitude of the drive signal applied to each ultrasonic transducer to transmit 16 ultrasonic beams. In the histogram of FIG. 10, the horizontal axis indicates the maximum amplitude, and the vertical axis indicates the appearance frequency. Here, the maximum amplitude is expressed as a relative value with respect to the maximum amplitude for transmitting one ultrasonic beam. Further, the four bars in each maximum amplitude value on the horizontal axis correspond to the respective cases shown in FIGS. This is tabulated in FIG.
図１０及び図１１に示すように、１６本の超音波ビームをどの方向に送信する場合においても、最大振幅が１２を超える状態は出現しない。複数の送信回路の最大出力電圧は、このシミュレーション結果に基づいて、それぞれの超音波トランスデューサに印加される最大振幅１〜１２に対応して複数種類のランクに分けて設定すれば良いことが分る。このようにして、それぞれの超音波トランスデューサに供給される駆動信号の最大電圧に対応して複数種類の最大出力電圧を複数の送信回路について設定することにより、マルチビーム送信における消費電力を低減することができる。
As shown in FIGS. 10 and 11, the state in which the maximum amplitude exceeds 12 does not appear in any direction in which 16 ultrasonic beams are transmitted. Based on this simulation result, it is understood that the maximum output voltages of the plurality of transmission circuits may be set in a plurality of ranks corresponding to the
さらに、１６本の超音波ビームをどの方向に送信する場合においても、最大振幅が８以上となる頻度は極めて小さい。このことから、最大振幅が８以上となる場合に、最大振幅を７に置き換えても、ほとんど送信ビームに影響を与えることはないと言える。あるいは、各々の超音波トランスデューサ１１について、超音波の送信タイミングが重なる複数の超音波ビームの内の一部について送信タイミングをずらしながら複数の駆動波形を重ね合わせることにより、１つの駆動波形に関する情報を生成するようにしても良い。このようにして複数の駆動波形を合成することにより、マルチビーム送信における消費電力をさらに低減することができる。
Furthermore, in any direction in which 16 ultrasonic beams are transmitted, the frequency at which the maximum amplitude is 8 or more is extremely small. From this, when the maximum amplitude is 8 or more, it can be said that even if the maximum amplitude is replaced with 7, the transmission beam is hardly affected. Alternatively, for each of the
図１２は、マルチビーム送信における消費電力低減の例を説明するための図である。この例においては、駆動信号の最大振幅が１又は２のときに送信回路の最大出力を２とし、駆動信号の最大振幅が３又は４のときに送信回路の最大出力を４とし、駆動信号の最大振幅が５〜７のいずれかのときに送信回路の最大出力を７とし、駆動信号の最大振幅が１２のときに送信回路の最大出力を１２としている。送信回路の消費電力が最大出力電圧の自乗に比例すると仮定し、簡単のために比例定数を１とすると、送信回路の消費電力は、次のように求められる。
２２×（１２８＋６２７）＋４２×（３７８＋１９１）＋７２×（１６＋３３＋１９）
＋１２２×４≒１．６０×１０４
一方、全ての送信回路の最大出力を１２とした場合には、送信回路の消費電力は、次のように求められる。
１２２×１３９６≒２．０１×１０５
従って、消費電力の低減効果は、次のようになる。
１．６０×１０４／２．０１×１０５≒８％
以上において、駆動信号の最大振幅が７を超えた場合に、送信回路の最大出力を７とすれば、さらに消費電力を低減することができる。
FIG. 12 is a diagram for explaining an example of power consumption reduction in multi-beam transmission. In this example, when the maximum amplitude of the drive signal is 1 or 2, the maximum output of the transmission circuit is 2, and when the maximum amplitude of the drive signal is 3 or 4, the maximum output of the transmission circuit is 4. The maximum output of the transmission circuit is 7 when the maximum amplitude is 5 to 7, and the maximum output of the transmission circuit is 12 when the maximum amplitude of the drive signal is 12. Assuming that the power consumption of the transmission circuit is proportional to the square of the maximum output voltage, and assuming that the proportionality constant is 1 for simplicity, the power consumption of the transmission circuit is obtained as follows.
2 2 × (128 + 627) +4 2 × (378 + 191) +7 2 × (16 + 33 + 19)
+12 2 × 4≈1.60 × 10 4
On the other hand, when the maximum output of all the transmission circuits is 12, the power consumption of the transmission circuit is obtained as follows.
12 2 × 1396 ≒ 2.01 × 10 5
Therefore, the effect of reducing power consumption is as follows.
1.60 × 10 4 /2.01×10 5 ≒ 8%
In the above, when the maximum amplitude of the drive signal exceeds 7, if the maximum output of the transmission circuit is 7, power consumption can be further reduced.
次に、駆動波形の最大振幅を所定の最大振幅に置き換えたときの駆動波形の一例について、図１３〜図１５を参照して説明する。ここでは、４×４＝１６本の送信ビームを同時に送信することにより、１５×１５回の送信で６０°×６０°の空間を走査する場合を考える。また、図１５の（ａ）〜（ｄ）の縦軸は各素子の駆動波形の相対振幅を示しており、１方向のみに送信する場合の振幅を１としている。さらに、図１５の（ａ）〜（ｄ）の破線は振幅＝４を示す線である。 Next, an example of a drive waveform when the maximum amplitude of the drive waveform is replaced with a predetermined maximum amplitude will be described with reference to FIGS. Here, consider a case in which a space of 60 ° × 60 ° is scanned by 15 × 15 transmissions by simultaneously transmitting 4 × 4 = 16 transmission beams. In addition, the vertical axis of (a) to (d) in FIG. 15 indicates the relative amplitude of the driving waveform of each element, and the amplitude when transmitting in only one direction is 1. Further, the broken lines in FIGS. 15A to 15D are lines indicating amplitude = 4.
例えば、１５×１５回の全送信期間中における２次元トランスデューサアレイの各素子（超音波トランスデューサ１１）の駆動波形の最大振幅の頻度を求めた結果が、図１３の（ａ）に示すような結果になったとする。この場合には、最大振幅が５以上となる頻度が最大振幅が４以下となる頻度よりも極端に少ないので、図１３の（ｂ）に示すように、最大振幅が５以上となった各素子の駆動波形の最大振幅を４に置き換える。 For example, the result of obtaining the frequency of the maximum amplitude of the driving waveform of each element (ultrasonic transducer 11) of the two-dimensional transducer array during the entire transmission period of 15 × 15 times is the result as shown in FIG. Suppose that In this case, since the frequency at which the maximum amplitude is 5 or more is extremely less than the frequency at which the maximum amplitude is 4 or less, each element having a maximum amplitude of 5 or more as shown in FIG. The maximum amplitude of the drive waveform is replaced with 4.
図２に示した４２素子×４２素子からなる２次元トランスデューサアレイの各素子の位置を、図１４に示すように、アジマス方向をｘ軸としエレベーション方向をｙ軸としたときの座標（ｘ，ｙ）で表す。このとき、座標（２０，１）に位置する素子の駆動波形は図１５の（ａ）の左側に示すように最大振幅が４以下であるため、この素子の駆動波形については同図右側に示すように最大振幅の置き換えは行わない。これに対して、座標（１４，２２）、座標（１５，１６）及び座標（２１，２１）にそれぞれ位置する３つの素子の駆動波形は図１５の（ｂ）〜（ｄ）の左側に示すように最大振幅が４を超えるため、これらの素子の駆動波形は、図１５の（ｂ）〜（ｄ）の右側に示すように最大振幅を４と置き換えた駆動波形に修正する。具体的には、最大振幅が４を超えた駆動波形に対しては、この駆動波形の最大振幅ｍａｘを求め、この駆動波形の振幅に係数（＝４／ｍａｘ）を掛けることにより、最大振幅を４と置き換えた駆動波形に修正する。 As shown in FIG. 14, the position of each element of the 42-element × 42-element two-dimensional transducer array shown in FIG. 2 is set to the coordinates (x, x) with the azimuth direction as the x axis and the elevation direction as the y axis. y). At this time, the drive waveform of the element located at the coordinates (20, 1) has a maximum amplitude of 4 or less as shown on the left side of FIG. 15A, so the drive waveform of this element is shown on the right side of the figure. Thus, the maximum amplitude is not replaced. On the other hand, the driving waveforms of the three elements located at the coordinates (14, 22), the coordinates (15, 16), and the coordinates (21, 21) are shown on the left side of FIGS. Thus, since the maximum amplitude exceeds 4, the drive waveforms of these elements are corrected to drive waveforms in which the maximum amplitude is replaced with 4 as shown on the right side of (b) to (d) of FIG. Specifically, for a drive waveform whose maximum amplitude exceeds 4, the maximum amplitude max of this drive waveform is obtained, and the maximum amplitude is obtained by multiplying the amplitude of this drive waveform by a coefficient (= 4 / max). 4 is corrected to the drive waveform replaced with 4.
次に、超音波の送信タイミングが重なる複数の超音波ビームの内の一部について送信タイミングをずらしたときの駆動波形の一例について、図１６〜図１７を参照して説明する。ここでは、図１６の（ａ）に示すように、各送信ビームを、小分割した各送信ビームの走査領域の中心に向けるものとする。また、図１６の（ｂ）〜（ｅ）に示すように、エレベーション方向の４本の送信ビームを１セットとして、２．５μｓ間隔の４回の送信に分けた場合を考える。すなわち、時刻ｔ＝０において図１６の（ｂ）の左端のエレベーション方向の４本の送信ビームを１セットとして送信した後、２．５μｓ間隔でアジマス方向を変えながら４回に分けてエレベーション方向の４本の送信ビームを１セットとして送信する。 Next, an example of a drive waveform when the transmission timing is shifted for a part of a plurality of ultrasonic beams having overlapping ultrasonic transmission timings will be described with reference to FIGS. Here, as shown in FIG. 16A, each transmission beam is directed to the center of the scanning area of each subdivided transmission beam. Further, as shown in FIGS. 16B to 16E, consider a case where four transmission beams in the elevation direction are set as one set and are divided into four transmissions at intervals of 2.5 μs. That is, at time t = 0, four transmission beams in the elevation direction at the left end in FIG. 16B are transmitted as one set, and then the elevation is divided into four times while changing the azimuth direction at intervals of 2.5 μs. Four transmit beams in the direction are transmitted as one set.
図２に示した４２素子×４２素子からなる２次元トランスデューサアレイの各素子（超音波トランスデューサ）の位置を図１４に示したような座標（ｘ，ｙ）で表す。このとき、座標（２０，１）、座標（１４，２２）、座標（１５，１６）及び座標（２１，２１）にそれぞれ位置する４つの素子の駆動波形の送信タイミングを図１７の（ａ）〜（ｄ）の左側に示す送信タイミングから右側に示す送信タイミングにそれぞれずらすことにより、各素子の駆動波形の最大振幅を小さくする。なお、図１７の（ａ）〜（ｄ）の横軸はクロック数を示しており、横軸の数字に１００ｎｓを掛けることにより、実際の時間が求まる。また、図１７の（ａ）〜（ｄ）の縦軸は各素子の駆動波形の相対振幅を示しており、１方向のみに送信する場合の振幅を１としている。さらに、図１７の（ａ）〜（ｄ）の破線は振幅４を示す線である。
The position of each element (ultrasonic transducer) of the two-dimensional transducer array consisting of 42 elements × 42 elements shown in FIG. 2 is represented by coordinates (x, y) as shown in FIG. At this time, the transmission timings of the drive waveforms of the four elements positioned at the coordinates (20, 1), the coordinates (14, 22), the coordinates (15, 16) and the coordinates (21, 21) are shown in FIG. The maximum amplitude of the drive waveform of each element is reduced by shifting from the transmission timing shown on the left side of (d) to the transmission timing shown on the right side. Note that the horizontal axis of FIGS. 17A to 17D indicates the number of clocks, and the actual time is obtained by multiplying the horizontal axis by 100 ns. In addition, the vertical axis of (a) to (d) in FIG. 17 indicates the relative amplitude of the drive waveform of each element, and the amplitude when transmitting in only one direction is 1. Furthermore, the broken lines in FIGS. 17A to 17D are lines indicating the
再び図１を参照すると、駆動波形合成部３２は、各々の超音波トランスデューサ１１について、超音波用探触子１から複数の異なる方向に超音波ビームを個別に送信させるために用いられる複数の駆動波形を重ね合わせることにより、合成駆動波形に関する情報を生成する。さらに、駆動波形合成部３２は、その結果得られる駆動波形の振幅が所定の値を超えた場合に、その振幅を所定の値に置き換えることにより、合成駆動波形に関する情報を生成するようにしても良い。
Referring again to FIG. 1, the drive waveform synthesizer 32 uses a plurality of drives used to individually transmit ultrasonic beams in a plurality of different directions from the
また、複数の送信回路２１においては、それぞれの超音波トランスデューサに供給される駆動信号の最大電圧に対応して、複数種類の最大出力電圧が設定されている。これにより、これらの送信回路２１における消費電力が削減される。ところで、各送信回路２１の最大出力電圧は、その送信回路２１に供給される電源電圧によって決定される。従って、複数種類の電源電圧が必要となるが、これらの電源電圧は、複数の電源の足し合わせによって作り出すことができる。
In the plurality of
例えば、各送信回路２１に対する最大供給電圧を、複数組の異なる送信方向について複数の駆動波形を重ね合わせることによって得られる合成駆動波形に対応する駆動信号の最大値を出力するための必要最小限の電圧に設定すれば、その値が複数の送信回路２１について複数種類存在することになり、最大供給電圧が小さい値に設定された送信回路２１における消費電力が削減される。
For example, the minimum supply voltage for each
本発明は、超音波を送受信して生体内の臓器等を観察するために用いられる超音波送受信装置において利用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in an ultrasonic transmission / reception apparatus that is used for transmitting / receiving ultrasonic waves and observing an organ or the like in a living body.
１ 超音波用探触子
２ 超音波送受信装置本体
１１ 超音波トランスデューサ
２０ 切換回路
２１ 送信回路
２２ 受信回路
３０ コンピュータ
３１ 走査制御部
３２ 駆動波形合成部
３３ 受信メモリ
３４ 位相整合演算部
３５ 表示画像演算部
４０ 記録部
５０ 表示部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記超音波用探触子から複数の異なる方向に同時に複数の超音波ビームを送信させるために、各々の超音波トランスデューサについて複数の駆動波形を合成することによって得られる合成駆動波形に関する情報を生成する駆動波形合成手段と、
前記駆動波形合成手段によって生成された情報に従って複数の駆動信号を生成して前記複数の超音波トランスデューサにそれぞれ供給する複数の送信回路であって、それぞれの超音波トランスデューサに供給される駆動信号の最大電圧に対応して複数種類の最大出力電圧が定められた前記複数の送信回路と、
超音波エコーを受信した前記複数の超音波トランスデューサから出力される複数の検出信号をそれぞれ処理する複数の受信回路と、
を具備する超音波送受信装置。 Ultrasound includes a plurality of ultrasonic transducers that form an ultrasonic beam according to a plurality of drive signals and transmit the ultrasonic beam to the subject and receive an ultrasonic echo reflected from the subject and output a plurality of detection signals, respectively. With a probe,
In order to simultaneously transmit a plurality of ultrasonic beams in a plurality of different directions from the ultrasonic probe, information on a combined drive waveform obtained by combining a plurality of drive waveforms for each ultrasonic transducer is generated. Drive waveform synthesis means;
A plurality of transmission circuits for generating a plurality of drive signals according to the information generated by the drive waveform synthesis means and supplying the drive signals to the plurality of ultrasonic transducers, respectively, wherein the maximum of the drive signals supplied to the respective ultrasonic transducers A plurality of transmission circuits in which a plurality of types of maximum output voltages are determined corresponding to the voltage;
A plurality of receiving circuits that respectively process a plurality of detection signals output from the plurality of ultrasonic transducers that have received the ultrasonic echo;
An ultrasonic transmission / reception apparatus comprising:
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